- 文献综述（或调研报告）：
- FRP材料的优点
纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP），现有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。FRP复合材料是由纤维材料与基体材料（树脂）按一定的比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。
2、FRP桁架桥的中外发展史
在国际上，FRP桥梁从20世纪末开始兴起，美国已在27个州建成了82座用FRP作为上部结构的桥梁，并正在研究用于应急的可快速搭建的FRP桥梁。欧盟联合开发了相当多种类的FRP桥梁体系，建成了10座FRP人行天桥和7座FRP公路桥梁。俄罗斯等老牌航空航天大国依托其航天技术上的优势，在2004年修建了第一座高性能的FRP桥梁，其他如日本、韩国和澳大利亚等也开展了相关的研究，并有FRP桥梁相继建成。
中国于1982年在北京密云修建了世界上第一座FRP公路桥梁，1986年在重庆修建了一座FRP人行天桥，2006年在江苏建成了一座采用碳纤维的斜拉桥，并相继研究了FRP桥面板、FRP混凝土组合桥面板FRP桥索、FRP大跨空间结构等构件和结构。
早期的FRP桥梁主要采用低压接触工艺（手糊）成型，质量的稳定性和可靠性较差，纤维含量较低，力学性能离散性大。近年来，随着拉挤、缠绕、树脂传递模塑（RTM）等工业化成型工艺的进步以及纤维和树脂材料的发展，可获得具有较稳定力学性能和使用性能的大尺寸、高性能FRP构件。这种高性能FRP桥梁结构和构件具有工业化、标准化的特点，能满足大用量的工程建设需求。
- 闸区工作桥结构简介
选取跨径为36m，横向宽度为4m的简支全GFRP桁架桥为计算对象。某GFRP桁架桥横断面如图1所示。主桁架弦杆、腹杆、上下平联、节点板及桥面板材料属性、构件尺寸如表1所示。
图1 GFRP桁架桥横截面图
|
表1 GFRP桁架桥构件尺寸一览表 |
|||||
|
部位 |
截面类型 |
高度(mm) |
宽度(mm) |
腹板厚度(mm) |
顶、底板厚度(mm) |
|
主桁架弦杆 |
方管 |
300 |
300 |
16 |
16 |
|
主桁架腹杆 |
方管 |
300 |
300 |
12 |
12 |
|
上下平联 |
方管 |
300 |
300 |
12 |
12 |
|
上下平联 |
工字形梁 |
300 |
200 |
15 |
15 |
- 主要材料
4.1GFRP复合材料（Glass-Fiber Reinforced Composites玻璃纤维增强复合材料）
1）GFRP复合材料基体采用乙烯基脂树脂、无碱玻璃纤维。
2）GFRP复合材料物理性能及力学性能测试需满足如下规范要求：
（1）GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则
（2）GB/T 1447 纤维增强塑料拉伸性能试验方法
（3）GB/T 1448 纤维增强塑料压缩性能试验方法
（4）GB/T 1449 纤维增强塑料弯曲性能试验方法
（5）GB/T 1450.1 纤维增强塑料层间剪切强度试验方法
（6）GB/T 1462 纤维增强塑料吸水性试验方法
（7）GB/T 2573 玻璃纤维增强塑料老化性能试验方法
（8）GB/T 2576 纤维增强塑料树脂不可溶分含量试验方法
（9）GB/T 3355 纤维增强塑料纵横剪切试验方法
（10）GB/T 3365 碳纤维增强塑料孔隙含量和纤维体积含量试验方法
（11）GB/T 3854 增强塑料巴柯尔硬度试验方法
（12）GB/T 16422.2 塑料实验室光源曝露试验方法 第2部分 氙弧灯
3）桁架型材
复合材料型材物理性能要求
|
项目 |
单位 |
指标 |
|
巴柯尔硬度 |
50 |
|
|
树脂不可溶分含量 |
% |
90 |
|
纤维体积含量 |
% |
65 |
|
固化度 |
% |
90 |
|
吸水率 |
% |
0.6 |
|
玻璃化温度 |
80 |
复合材料型材力学性能指标表
|
项目 |
单位 |
力学指标 |
|
纵向拉伸强度 |
MPa |
450 |
|
横向拉伸强度 |
MPa |
45 |
|
纵向拉伸弹性模量 |
GPa |
38 |
|
横向拉伸弹性模量 |
GPa |
10 |
|
纵向压缩强度 |
MPa |
350 |
|
横向压缩强度 |
MPa |
80 |
|
纵向压缩弹性模量 |
GPa |
25 |
|
横向压缩弹性模量 |
GPa |
10 |
|
纵向弯曲强度 |
MPa |
450 |
|
横向弯曲强度 |
MPa |
80 |
|
纵向弯曲弹性模量 |
GPa |
25 |
|
纵横剪切强度 |
MPa |
50 |
|
纵横剪切弹性模量 |
GPa |
6 |
|
层间剪切强度 |
MPa |
30 |
|
纵向螺栓孔承压强度 |
MPa |
200 |
|
横向螺栓孔承压强度 |
MPa |
140 |
|
螺钉拔出承载力 |
kN |
t/3 |
4）桥面板
GFRP桥面板表面应顺滑平直，表面无裂纹、气泡、毛刺、皱折、纤维裸露、分层、断裂等。GFRP桥板任意点的壁厚均不得小于设计厚度。
复合材料桥面板力学性能指标表
|
项目 |
单位 |
指标 |
|
|
树脂含量 |
% |
25~35 |
|
|
树脂不可溶分含量 |
% |
90 |
|
|
冲击韧性 |
200 |
||
|
巴柯尔硬度 |
45 |
||
|
拉伸强度 |
MPa |
250（纵向） |
55（横向） |
|
拉伸弹性模量 |
GPa |
25（纵向） |
7（横向） |
|
压缩强度 |
MPa |
200（纵向） |
60（横向） |
|
压缩弹性模量 |
GPa |
25（纵向） |
7（横向） |
|
弯曲强度 |
MPa |
230（纵向） |
55（横向） |
|
弯曲弹性模量 |
GPa |
25（纵向） |
7（横向） |
|
湿态弯曲强度 |
MPa |
100（纵向） |
30（横向） |
5）节点板及角板
弦杆与横梁之间连接节点板及角板采用GFRP层压板型材，层压型材要求平面内各向同性，力学指标如下：
复合材料节点板及角板力学性能指标表
|
项目 |
单位 |
力学指标 |
|
纵向拉伸强度 |
MPa |
90 |
|
横向拉伸强度 |
MPa |
90 |
|
纵向拉伸弹性模量 |
GPa |
14 |
|
横向拉伸弹性模量 |
GPa |
14 |
|
纵向压缩强度 |
MPa |
90 |
|
横向压缩强度 |
MPa |
90 |
|
纵向压缩弹性模量 |
GPa |
14 |
|
横向压缩弹性模量 |
GPa |
14 |
|
纵向弯曲强度 |
MPa |
100 |
|
横向弯曲强度 |
MPa |
100 |
|
纵向弯曲弹性模量 |
GPa |
11 |
|
纵横剪切强度 |
MPa |
30 |
|
纵横剪切弹性模量 |
GPa |
6 |
|
层间剪切强度 |
MPa |
20 |
|
纵向螺栓孔承压强度 |
MPa |
140 |
|
横向螺栓孔承压强度 |
MPa |
140 |
|
螺钉拔出承载力 |
kN |
t/3 |
4.2混凝土
引桥空心板 C40砼
引桥桥面铺装 C40防水砼
主墩、墩身及盖梁 C30砼
下部结构承台 C30砼
引桥桥墩墩台 C30砼
桥台盖梁、耳背墙、挡块、肋板 C30砼
护栏及搭板 C30砼
钻孔灌注桩 C30水下砼
4.3钢材
（1）普通钢筋
普通钢筋均需符合《钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2008）和《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2007）中相关规定。钢筋焊网应符合《钢筋焊接网混凝土结构技术规程》（JGJ114-2003）标准的规定。
（2）钢板
钢板、型钢采用Q345C和Q235B，技术标准必须符合（GB/T1591-2008）和（GB/T700-2006）的有关规定；焊接应采用符合要求的焊条或焊丝。
不锈钢采用S30408（），技术标准必须符合（GB/T3280-2007）的有关规定。
（3）螺栓
主桥构件间及主桥护栏连接螺栓都采用高强度不锈钢螺栓，不锈钢螺栓采用S30408（），技术标准必须符合（GB/T3280-2007）、（GB/T1228-2006）的要求，螺母应符合GB/T1229-2006的要求，垫圈应符合GB/T1230-2006的要求。
4.4其他
（1）支座
主桥支座采用GPZ（2009）盆式支座，符合交通部行业标准JT391-2009的规定，引桥支座采用圆板橡胶支座，符合交通部行业标准JT/T-327-2004的规定。
（2）伸缩缝
伸缩缝采用D40伸缩缝，符合交通部行业标准JT/T327-2004的规定。
（3）桥面铺装
- 主桥
主桥桥面采用1~2cm非渗水型塑胶合成材料铺装，符合GB/T 14833-2011的规定。拉伸强度应达到1.2MPa以上，拉断伸长率应达到120%以上。
防水层采用柔性防水层。
- 引桥
引桥桥面采用现浇C40防水砼铺装。
（4）黏接胶
桥面板与下横梁之间采用快速固化双组份丙烯酸酯结构胶黏剂。胶黏剂需具备较高的强度、优异的耐疲劳性、较好的抗冲击性能和韧性。
黏接胶物理及力学性能表
|
24时初固时间 |
min |
20 |
|
使用温度 |
-30~100 |
|
|
空隙填充能力 |
mm |
5 |
|
剪切强度（24） |
MPa |
15 |
（5）护栏
本项目护栏采用两种类型：GFRP复合材料护栏、钢护栏，其中GFRP复合材料护栏用于主、引桥及1#梯道，钢护栏用于2#及3#梯道。
钢梯平台及钢护栏材料采用Q235B，表面喷砂除锈后，采用电弧喷锌防护，厚度为0.1~0.14mm。喷锌后表面采用无机富锌涂料封闭，其厚度为0.01~0.05mm。
复合材料力学性能指标表
|
力学性能 |
指标要求（板纵向） |
|
拉伸强度（MPa） |
350 |
|
拉伸模量（GPa） |
25 |
|
断裂伸长率（%） |
1.3 |
|
压缩强度（MPa） |
150 |
|
压缩模量（GPa） |
9 |
|
弯曲强度（MPa） |
350 |
|
弯曲模量（GPa） |
20 |
|
剪切强度（MPa） |
25 |
|
剪切模量（GPa） |
5.0 |
4.5耐久性设计
本桥所处环境条件为I类-温热地区，设计使用年限为100年。为提高桥梁结构耐久性，应对本工程混凝土进行耐久性设计，可参照《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01-2006）及以下要点实施。
- 结构设计措施
- 在箱梁现浇层与沥青砼铺装之间设置性能可靠的防水层。
- 结构构件最小混凝土保护层厚度必须满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第9.1.1条I类环境要求。
- 结构计算时，控制普通钢筋混凝土构件裂缝宽度在0.20mm以内。
- 最低混凝土强度等级大于C30。
- 为提高GFRP复合材料耐久性能，GFRP复合材料表面需增加胶衣层。
- GFRP复合材料需结合相关试验进行耐久性能测试，要求主要构件耐久性能不小于30年。
- 施工控制措施
- 混凝土材料的选用
水泥：水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混合料宜为矿渣或粉煤灰，不宜使用早强水泥。
骨料：细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗河沙。不得使用海沙。粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小的洁净碎石，不宜采用砂岩碎石。
添加剂：可掺入适当的混凝土添加剂。
- 混凝土施工前，应根据设计和施工工艺要求提前开展混凝土混合比选择试验，并针对混凝土结构的特点和施工环境、使用环境等条件，制定施工过程中各个环节的质量控制内容与质量保证措施。
- 上部混凝土结构：最大水灰比0.55，最小水泥用量350，最大氯离子含量0.06%，最大碱含量1.8。下部结构：最大水灰比0.55，最小水泥用量275，最大氯离子含量0.30%，最大碱含量1.8。
- 加强混凝土养护工作。
- 分析过程
在有限元软件ANSYS中建模分析，选用可考虑分层的shell181单元建立主桁架弦杆、横主桁架腹杆、上下平联、桥面板及节点板。GFRP桥面板与下平联之间采用节点耦合的方式实现共同作用。边界条件设定为：在GFRP桁架桥的主桁弦杆底部支座位置添加约束，一侧约束节点X、Y、Z 方向的自由度，另一侧约束节点Y、Z方向的自由度，实现简支，净跨径36m。
FRP的材料强度高，合理设计的FRP桥梁的承载能力较高，通常不是主要设计控制参数，而挠度和满足通行舒适度的动力特性成为主要的控制参数。本文以FRP桁架桥的ANSYS模型为基础，对FRP桥进行模态分析、强度分析、刚度分析和屈曲分析。
6、参考文献
- GB 50608 —2010 纤维增强复合材料建设工程应用技术规范[S]
- JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范
- 田野，冯鹏，覃兆平，杨勇新 FRP拉挤型材桁架桥结构体系的研究与应用 中国会议，2012
- 冯鹏，金飞飞，叶列平 FRP人行天桥的结构性能与设计指标研究[J] 建筑科学与工程学报，2011,28（3）：14-22
- 冯鹏，田野，覃兆平 纤维增强复合材料拉挤型材桁架桥静动力性能研究 工业建筑，2013
- 叶列平，冯鹏 FRP在工程结构中的应用与发展[J] 土木工程学报，2006,39（3）：24-26
- 金飞飞 轻质FRP人行桥振动舒适度设计方法研究[D] 北京：清华大学，2012
- 徐以杨，方海，刘伟庆 复合材料拉挤型材在桁架桥梁结构中的应用和发展 世界桥梁，2010
- GB 50608-2010 纤维增强复合材料建设工程应用技术规范[S]
- 朱坤宁，万水，刘玉擎 FRP桥面板静载实验研究及分析[J] 工程力学，2010,27（SI）：240-244
- 冯鹏，齐玉军，叶列平，等 GFRP栏杆的受力性能及其结构安全性研究[J] 玻璃钢/复合材料，2010（6）：48-54
- 张锡祥，巫祖烈，杨忠，李华基 高耐久性FRP桥梁结构、构件的研究与实践 重庆交通大学学报（自然科学版） 2011-12-15
- 冯鹏，叶列平 GFRP空心板静载试验研究及分析[J] 工业建筑，2004,34（4）：15-18
- 曾攀，孙卓 纤维增强塑料（FRP）在桥梁建设中的应用现状 广州大学学报（自然科学版） 2006-04-30
- 金飞飞，冯鹏，叶列平 FRP人行桥的人致振动特性研究[J] 玻璃钢/复合材料，2011（5）：29-34
- 冯鹏 新型FRP空心桥面板的设计开发与受力性能研究 北京：清华大学 2004
- SNIP 2.05.03-84, Construction Regulation. Bridges and Pipes[S].
- BS EN 1990:2002, Eurocode: Basic of Sturctural Design[S].
- AASHTO-2008 FRP Pedestrian Bridges
- Europcomp Design Code And Handbook Structural Design of Polymer Composites.
- ZHOU A, BAI Y，KELLER T Dynamic Characteristics of Bridge Superstructures with FRP Composite Structural Elements[C]//HAMELIN P.Proceedings of the Third International Conference on Composites in Constructions.Lyon:ICCC，2005:971-978.
- BS 5400-2:1978, Steel, Concrete and Composite Bridges—Part 2:Specification for Loads[S]
- BAI Y，KELLER T Modal Parameter Indentification for a GFRP Pesdestrian Bridge[J]. Composite Structures, 2008, 82(1):90-100.
- Thomas Keller, Bai Yu, Till Valle. Long-Term Performance of a Glass Fiber-Reinforced Polymer Truss Bridge[J]. Journal of Composites for Construction, 2007, 11(1):99-108.
- Iwao Sasaki, Itaru Nishizaki. Load-bearing Properties of a FRP Bridge after Nine Years of Exposure[C]. Ye Lieping, Feng Peng,Yue Qingrui. Proceedings of the 5th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering. Beijing:Tsinghua University Pres 2010.
- Matthias Oppe, Jan Knippers. A Consistent Design Concept for Bolted Connections in Standardized GFRP-Profiles [C]. Ye Lieping, Feng Peng, Yue Qingrui. Proceedings of the 5th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering. Beijing:Tsinghua University Pres 2010.
- CNR-DT 205/2007, Guide for the Design and Construction of Structures made of FRP Pultruded Elements[S].
- Xi Xiaoning, Yang Yongxin, Yao Ying. FRP Truss Bridge Construction Technology Research and Application. International Conference on Applied Mechanics and Materials (ICAMM 2012)2013. 966-971
- Alampalli, S Kunin. Load Testing of an FRP Bridge Deck on a Truss Bridge. APPLIED COMOSITE MATERIALS. 2003 85-102
- Alampalli, S Kunin. Rehabilitation and Filed Testing of an FRP Bridge Deck on a Truss Bridge 11th International Conference on Composite Structures (ICCS 11) JUL-SEP 2002 373-375
- 文献综述（或调研报告）：
- FRP材料的优点
纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP），现有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。FRP复合材料是由纤维材料与基体材料（树脂）按一定的比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。
2、FRP桁架桥的中外发展史
在国际上，FRP桥梁从20世纪末开始兴起，美国已在27个州建成了82座用FRP作为上部结构的桥梁，并正在研究用于应急的可快速搭建的FRP桥梁。欧盟联合开发了相当多种类的FRP桥梁体系，建成了10座FRP人行天桥和7座FRP公路桥梁。俄罗斯等老牌航空航天大国依托其航天技术上的优势，在2004年修建了第一座高性能的FRP桥梁，其他如日本、韩国和澳大利亚等也开展了相关的研究，并有FRP桥梁相继建成。
中国于1982年在北京密云修建了世界上第一座FRP公路桥梁，1986年在重庆修建了一座FRP人行天桥，2006年在江苏建成了一座采用碳纤维的斜拉桥，并相继研究了FRP桥面板、FRP混凝土组合桥面板FRP桥索、FRP大跨空间结构等构件和结构。
早期的FRP桥梁主要采用低压接触工艺（手糊）成型，质量的稳定性和可靠性较差，纤维含量较低，力学性能离散性大。近年来，随着拉挤、缠绕、树脂传递模塑（RTM）等工业化成型工艺的进步以及纤维和树脂材料的发展，可获得具有较稳定力学性能和使用性能的大尺寸、高性能FRP构件。这种高性能FRP桥梁结构和构件具有工业化、标准化的特点，能满足大用量的工程建设需求。
- 闸区工作桥结构简介
选取跨径为36m，横向宽度为4m的简支全GFRP桁架桥为计算对象。某GFRP桁架桥横断面如图1所示。主桁架弦杆、腹杆、上下平联、节点板及桥面板材料属性、构件尺寸如表1所示。
图1 GFRP桁架桥横截面图
